路面材料对道路照明的影响

摘　要 本文主要介绍英国关于道路照明设计，根据英国BS5489-1·2003所推荐使用的有关计算道路表面反射特性的设计数据进行比较，仅供参考。

关键词 道路照明 路面材料 反射特性


　　道路照明最为基本的目的是通过照明，使道路上的行人、车辆和目标显现于路面，使其能够被看得清。由此，道路照明标准可由三个照明有关的量值表示：平均道路路面照度、道路全部照度的一致性率以及道路纵向照度的一致性率。在道路表面上任何一点的亮度是道路表面铺设材料反射特性的照度的函数。道路路面的反射特性也可由所使用的铺路材料、路面是潮湿、干躁或道路的使用时间而决定。

　　尽管存在着许多变数，在英国，关于道路照明的设计，还是建立起了一套供推荐使用的、有关计算道路表面反射特性的设计数据(BS5489-1: 2003)，称之为“典型的英国道路路面”(C2)。虽然这些数据是根据水泥道路修改而来。道路表面的反射特性是定量地由一个降低反射系数表而给出的，称之为r-表。这个r-表中由二个度量标准表示：Qo—漫反射的度量标准和S1—全反射的度量标准。表1在BS5489：1-2003中规定的道路路面反射特性，共给出了三种典型的道路表面的形式。

                  表1　推荐的道路路面反射特性

道路路面	BS5489所推荐的反射率特性	现行工作推荐的反射率特性
沥青	C2	C2
	Q0=0.07 S1=0.97	Q0=0.050 S1=0.97
透水沥青	C2	C2
	Q0=0.05 S1=0.58	Q0=0.050 S1=0.97
混凝土	C2	C2
	Q0=0.10 S1=0.97	Q0=0.085 S1=0.97

　　对于路面材料为热滚的沥青、毛糙的水泥混凝土结构的道路，在英国道路路面设计已经沿用了好多年。当然，现在还出现了许多新的、基于沥青的路面铺设材料，比如透水沥青、砂胶沥青以及其他许多种各具特性的薄膜路面材料。同时还有新的、基于水泥混凝土的路面材料、露天粒料混凝土，等等。

　　研究工作有二个目标：第一个是决定这些新的路面材料是否能够适用于典型的英国道路路面照明系统的设计。如果不适用，第二个目标，当我们使用这些新的路面材料时，为了保证道路照明的精确设计，应该做些什么。

　　这些目标可以表达为三个问题：

　　问题1：这些新的路面材料的Qo和S1的值是否一贯地与既有的路面材料、以及与典型的英国道路路面的标准值有所不同？

　　幸运地，Cooper et al先生已经对在英国国内最为广泛使用的、新的和既有的路面材料的Qo和S1数值进行了测量，数据表明这种路面应该是干燥的、并且至少已经使用了二年。Qo和S1的分布图(图1)来自于Cooper et al的研究结果，显示出问题的第一部分的答案是负面的——新的路面材料的Qo和S1数值和既有的路面材料的数值处于同样的范围内，见图1。

　　与典型的英国道路路面的标准值进行比较，则无论是新的、还是既有的路面材料的S1和Qo值都趋向于低于典型的英国道路路面及其修正值。这些发现意味着，无论是对新的、或既有的路面材料，典型的英国道路路面所产生的平均道路路面照度均被过高地估计了。

　　问题2：对于固定的照明装置，在对道路照度指数进行计算时使用r-表对于新的和既有的路面材料和使用典型的英国道路路面的不同是什么?

　　使用“Urbis Turbolight”计算机软件对公路路面／照明系统的三种不同的组合、以及在分别使用高压钠灯SoNT+和陶瓷金卤灯CDM-TT的照明系统进行计算。发现用于计算的r-表中从Sorensen取得的S1和Qo的数据值是符合Cooper et al报告中提及的实际测量值。对于每一种交通道路／照明系统的组合，为了在同一个基础上进行比较，使用同一个固定的照明灯具，并必须符合在英国国家标准BS5489-1：2003中规定的最低照度值、且在最低的投资成本的条件。

　　计算显示，无论道路照明装置是安装在新的、或是既有的采用沥青路面材料的道路上，在设计中使用典型的英国道路路面时，所产生的平均道路路面照度均低于BS5489中所推荐的最低值，见表2。照度的降低意味着夜间／白天的交通事故率有可能增加。对于新的、或既有的基于混凝土的路面材料，安装在这些道路上的照明装置，在设计中使用典型的英国道路路面修正的混凝土时，所产生的平均道路路面照度仍低于期望值——但高于推荐的最低值。这些发现意味着无论对于新的、或是既有的路面材料，“典型的英国道路路面”是名不副实的。典型的英国道路路面不能精确地代表无论是采用新的、或是既有的基于沥青的路面材料的反射特性。同时，修正后的典型的英国道路路面也不能精确地代表无论是新的、或是既有的基于混凝土的路面材料的反射特性。

　　这形成如下的有趣情形：一方面它可能会引起争议，如果在英国标准BS5489：1-2003中有关既有的路面材料的典型的英国道路路面的表达中本身具有的错误能够被接受，那么对于新的路面材料的同样情况的错误也应该能够被接受，也就是说现有的典型的英国道路路面将继续使用下去。另一方面，如果计算出的道路路面平均照度值的错误不能被接受，那么现有的典型的英国道路路面将被抛弃。一种可能是制订出二个典型的英国道路路面：一个适用于基于沥青的路面材料，而另一个基于混凝土。
 

路面材料 组合	平均 照度	整个照度 一致性	纵向照度 一致性
典型英国 道路路面C2	1.01	0.60	0.5
沥青	0.70	0.6	0.5
C2 当Q0=0.10	1.44	0.6	0.5
混凝土	1.10	0.61	0.49

　　但是在接受这些观点之前，关注本文所给出的这些结论是比较明智的。这其实就是第三个问题所要表达的目的。

　　问题3: 对于新的、或是既有的路面材料(与典型的英国道路路面相比)，使用r-表对一个照明装置进行最优化设计时，在道路照明投资成本、能源成本和寿命周期等方面的效果是什么?

　　同样地，对道路路面/照明系统的三种组合进行计算，设计最为优化的照明装置以恰好符合BS5489照度表中的最低值，且整个照明系统的投资成本是最低的。结果表明，放弃典型的英国道路路面和使用r-表，更为符合新的或是既有的路面材料的反射特性。但是，每公里大约增加25％的投资成本，并将增加每公里的年度能源消费成本和40年的寿命周期成本，见表3。可能避免增加这些成本的唯一方法是降低所推荐的照度值、或是增加道路路面的反射比。

　　不管怎样，应用这些计算时必须加以注意——这些计算是基于假定由Cooper et al的论文所给出的Qo和S1的值是有确实根据的。Cooper et al的论文加以注释，认为以上结论尚存在一些疑问，主要是因为对于滚烫的沥青道路的Qo的测量值持续地低于按惯例所能接受的数值。很幸运，在另外实验室进行的关于滚烫的沥青道路的Qo值的测量工作得出了符合传统的、可接受的数值。之所以会产生这些差异有许多可能的理由，包括：不同路面材料的混合法、不同路面材料的不同的处理工艺以及不同的测量程序等，均可能产生不同的测量结果。

　　不管什么理由，在实际应用这些计算前，最基本的是必须确定由Cooper et al所给出的Qo值的准确性。实际上确定这些数据可以按如下二种方法进行: 精确地，对每一个道路路面的典型样板进行实验室测量: 或者粗略地通过广泛的、连续的现场测量。后一种方法需要在行驶的车辆上安装测量道路路面照度的设备。这种设备在对新的照明装置进行合格验收、以及确认已有的照明装置是否需要维修等方面，具有更为广泛的用途。

　　　　　　　表3　平均投资成本、年度能源成本、40年寿命成本比较表

道路/照明系统的类型	路面材料的组合	投资成本￡/km	年度能源成本￡/km	40年寿命成本￡/km
单车道/交错	典型的英国道路路面C2	20.577	762	41，356
	基于沥青路面	25，325(+23%)	1，039(+36%)	53，635(+30%)
	C2当Q0=0.10	18，863	698	37，899
	基于混凝土路面	19，516(+3%)	762(+9%)	40，283(+6%)
单车道/单边	典型的英国道路路面C2	19，312	793	40，939
	基于沥青路面	24，524(+27%)	1，075(+36%)	53，840(+32%)
	C2当Q0=0.10	15，433	571	31，006
	基于混凝土路面	17，768(+15%)	730(+28%)	37，675(+22%)
双车道/双向	典型的英国道路路面C2	47，585	2，221	108，155
	基于沥青路面	56，253(+18%)	2，626(+18%)	127，869(+18%)
	C2当Q0=0.10	39，440	1，469	79，462
	基于混凝土路面	45，637(+16%)	1，777(+21%)	94，098(+18%)

　　还需注意的是，以上论述还有二个局限性——所有的这些计算仅仅是针对干燥的、无彩色的道路路面进行的。在英国，道路照明是按照干燥的路面设计的，当路面潮湿时路面材料的反射特性会发生较大的变化。同样地，英国大量道路是无色彩的，仅仅在于反射率的不同。但是，作为在行车道路上的特殊用途的部分，彩色道路路面的使用正在不断地增加。本论文中上述的这些结论对于潮湿的路面、或是彩色的路面材料似乎不太相符，这是因为彩色路面材料的反射特性会与所使用的光源有关。

　　推荐

　　从所进行的计算来考虑，以及作为警示性的表述，建议进行下列措施：

　　1.必须对由Cooper et al所给出的对既有的和新的路面材料的Qo值的准确性进行确认。确认工作可分二个步骤：首先，确认基于实验室的测量系统对于同样的路面材料样品，能够给出一致性的结果。然后再使用己经确认的测量系统对所有在英国广泛使用的路面材料——路面材料必须是干燥的、并已经使用了一个适当的时间——进行测量，以验证r-表。

　　2.如果由Cooper et al所给出的Qo值显示是恰当的，必须决定是否要接受在本文所描述的，对于新的或既有的路面材料的平均道路路面照度量值的错误。如果这些错误能够被接受，那么典型的英国道路路面的设计方法对于新的路面材料是仍可继续使用，而不需要作任何改变的。如果这些错误不能被接受，BS5489-l：2003中的“典型的英国道路路面”将放弃，不能作为道路照明设计的基础。

　　3.如果BS5489-1：2003中典型的英国道路路面被放弃，将由二个新的r-表替代：一个基于沥青的路面材料，另一个基于混凝土的路面材料。这二个新的r-表可以从现有C2的r-表中形成。对于基于沥青的路面材料，可以取Qo=0.050的比例，对于基于混凝土的路面材料则以Qo=0.085的比例进行，见表1。

　　4.为了避免由于根据所推荐的r-表的改变而产生的任何道路照明成本的增加，现有的、推荐用在英国和威尔士的道路照明设计中的照度的准确性将被评价。

　　5.为了避免由于根据所推荐的r-表的改变而产生的任何道路照明成本的增加，对在路面材料结合进了发光的混合材料，而引起光反射量的实际增加情况，应被评估。

　　6.调查通过一个移动的车辆进行道路照度实际测量的情况，为此目的的测量设备的设计工作已经完成。这种测量设备将为验收道路照明工程的合同、以及确定照明装置维修提供的一种手段。

　　摘译自The Lighting Journal [英]

　　March/April 2006 pp.35-40